勞倫斯·M.+克勞斯

作為一名宇宙學(xué)家，在舉行完講座之后，我最常聽(tīng)到的一些問(wèn)題包括：在我們的宇宙之外都有些什么？我們的宇宙會(huì)膨脹成什么？我們的宇宙會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去嗎？這是一些很自然的問(wèn)題。但其中還有一個(gè)更加深刻的問(wèn)題在起著作用。從根本上來(lái)說(shuō)，我們真正想要知道的是：我們的認(rèn)知有沒(méi)有邊界？對(duì)科學(xué)而言，有沒(méi)有根本上的極限？

當(dāng)然，我們不可能預(yù)知未來(lái)。除非真正遇到我們?cè)噲D跨越的障礙，否則我們永遠(yuǎn)無(wú)法知道，人類的認(rèn)知是否有極限。就目前而言，沒(méi)有任何跡象表明，我們面臨著這一認(rèn)知極限。也許，我們正面臨著某些障礙，但是，所有的跡象無(wú)不顯示出這些障礙都只是暫時(shí)的。因?yàn)椋臀覐氖碌念I(lǐng)域——宇宙學(xué)——而言，就算在50年前，也沒(méi)有人能夠預(yù)見(jiàn)我們對(duì)宇宙的認(rèn)知會(huì)以這種方式增長(zhǎng)。

即便在最晴朗的天氣，我們也不可能看到無(wú)窮遠(yuǎn)：理論上，你最遠(yuǎn)只能看到453億光年遠(yuǎn)的地方。雖然這表示我們的認(rèn)知有一個(gè)直接的限制，但這無(wú)法阻擋我們掌握自然界的基本運(yùn)行規(guī)律。

這并不是說(shuō)大自然對(duì)我們所能觀察的事物以及我們觀察事物的方式?jīng)]有任何限制，海森堡提出的不確定性原理就對(duì)我們觀察一個(gè)粒子在任意時(shí)間的運(yùn)動(dòng)做出了限制，光速則限定了我們?cè)谝粋€(gè)給定的時(shí)間間隔內(nèi)能看多遠(yuǎn)或者能走多遠(yuǎn)。但是這些限制只不過(guò)是告訴我們哪些是我們無(wú)法觀測(cè)到的，并非說(shuō)這些事物是我們最終無(wú)法知曉的。不確定性原理并沒(méi)有妨礙我們獲悉量子力學(xué)的

規(guī)則，也沒(méi)有妨礙我們了解原子的行為，更沒(méi)有妨礙我們發(fā)現(xiàn)那些我們永遠(yuǎn)也無(wú)法直接看到，但確實(shí)存在的粒子。

人們觀測(cè)到的宇宙正在膨脹，的確意味著一個(gè)開(kāi)端。這是因?yàn)?，如果我們反推過(guò)去，那么在遙遠(yuǎn)的過(guò)去的某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，我們可觀測(cè)宇宙中的任何事物都將回到一個(gè)點(diǎn)——奇點(diǎn)。在那一瞬間，也就是現(xiàn)在被稱為大爆炸的時(shí)間點(diǎn)上，我們目前所知的所有物理學(xué)定律都土崩瓦解了，因?yàn)槊枋鋈f(wàn)有引力的廣義相對(duì)論，無(wú)法與描述微觀尺度物理學(xué)的量子力學(xué)成功地整合在一起。但是大多數(shù)科學(xué)家并不認(rèn)為這就是認(rèn)知的根本邊界，因?yàn)樗麄冋噲D通過(guò)對(duì)廣義相對(duì)論進(jìn)行必要的修正，使其成為相容量子理論的一部分。而弦理論，正是人們?nèi)〉玫闹饕晒弧?/p>

如果我們?cè)谝粋€(gè)方向上看得足夠遠(yuǎn)，就能看見(jiàn)自己的后腦勺。

鑒于這樣一個(gè)理論，我們也許能夠回答大爆炸之前都發(fā)生了些什么——如果有的話。這種最簡(jiǎn)單的、可能的回答，或許也是最不令人滿意的回答。無(wú)論是狹義相對(duì)論還是廣義相對(duì)論，都將時(shí)間與空間捆綁在一起，成為一個(gè)單一的實(shí)體——時(shí)空。如果空間是在大爆炸中產(chǎn)生的，那么時(shí)間可能也是。如果是這樣的話，那就沒(méi)有“之前”了，“大爆炸之前有什么”這個(gè)問(wèn)題也就不是一個(gè)問(wèn)題了。不過(guò)，這并不是唯一可能的解答。我們需要等到一個(gè)能夠解釋萬(wàn)有引力的量子理論

的出現(xiàn)，并且在它被實(shí)驗(yàn)證實(shí)之后，才能對(duì)我們的回答有一定的信心。

接下來(lái)的問(wèn)題是：從空間的角度來(lái)說(shuō)，我們是否能夠知道在我們的宇宙之外都有些什么？我們宇宙的邊界在哪里？讓我們?cè)僖淮未竽懠僭O(shè)。如果我們的時(shí)空是自然而然地產(chǎn)生的，那么，正如我在我的新書(shū)《從虛無(wú)中誕生的宇宙》中長(zhǎng)篇大論地討論過(guò)的那樣，看似最有可能的場(chǎng)景是宇宙的總能量為零——物質(zhì)表現(xiàn)出的能量正好與引力場(chǎng)表現(xiàn)的能量相互抵消。簡(jiǎn)言之，如果某些事物總計(jì)為零，那么這些事物就能夠從虛無(wú)中誕生?，F(xiàn)在，我們能夠查證的唯一的宇宙，其總能量為零，這是一個(gè)閉宇宙。這樣的一個(gè)宇宙是有限而無(wú)邊際的。正如你可以沿著一個(gè)球體的表面一直走下去而不會(huì)遇到任何邊界一樣，對(duì)我們的宇宙來(lái)說(shuō)，如果我們?cè)谝粋€(gè)方向上看得足夠遠(yuǎn)，就能看見(jiàn)自己的后腦勺。

而在實(shí)踐中，我們是做不到這一點(diǎn)的，這也許是因?yàn)閷?duì)我們來(lái)說(shuō)可見(jiàn)的宇宙，僅僅是更大尺度宇宙的一部分而已。其原因與被人們稱為暴脹的現(xiàn)象有關(guān)。微觀尺度上自發(fā)出現(xiàn)的大多數(shù)宇宙會(huì)在瞬間塌陷，而不會(huì)持續(xù)存在數(shù)十億年。但是，在其中的某些宇宙中，空白空間會(huì)被賦予能量，而在這種情況下，該宇宙將呈指數(shù)級(jí)快速膨脹。這一現(xiàn)象至少會(huì)維持一個(gè)較短的時(shí)間。我們認(rèn)為，在我們的宇宙大爆炸擴(kuò)張的最初瞬間，出現(xiàn)過(guò)這樣一個(gè)暴脹期，從而使我們的宇宙免于立刻塌陷。在這一過(guò)程中，宇宙的尺度極度膨脹，以至于無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，它似乎都是平坦且無(wú)限的。這就是即使我們的宇宙在其最大尺度上可能是封閉的，但當(dāng)我們極目太空時(shí)仍無(wú)法看到自己后腦勺的原因。雖然從理論上來(lái)講，如果我們等的時(shí)間足夠長(zhǎng)就能看見(jiàn)全部的事物，但這里有個(gè)前提，即暴脹沒(méi)有在我們的宇宙中發(fā)生。

正在發(fā)生碰撞的星系，這種宇宙暴亂終有一天會(huì)偃旗息鼓，而在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，觀測(cè)者可能永遠(yuǎn)也不會(huì)意識(shí)到，我們的宇宙曾經(jīng)是多么轟轟烈烈。

宇宙中我們至今仍無(wú)法觀測(cè)的區(qū)域或許是我們永遠(yuǎn)也無(wú)法觀測(cè)到的區(qū)域，那里可能正在暴脹。事實(shí)上，就我們目前的理論來(lái)看，這一情況是極有可能的。如果我們認(rèn)為“我們的宇宙”這個(gè)詞指的是我們已經(jīng)能夠或者是終有一天能夠與之溝通的區(qū)域，那么，一般來(lái)說(shuō)，暴脹還會(huì)在我們的宇宙之外創(chuàng)造出別的宇宙。在我們身邊的空間體量?jī)?nèi)，暴脹可能不那么明顯，但是在此之外的空間，則在永不止息地以指數(shù)級(jí)膨脹，偶爾會(huì)有像我們的宇宙一樣的孤立區(qū)域與膨脹脫鉤。正如當(dāng)溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，冰塊能夠在快速流動(dòng)的水面上形成一樣。每一個(gè)這樣的宇宙都有一個(gè)起點(diǎn)，這個(gè)起點(diǎn)是與暴脹在其空間中結(jié)束的時(shí)間掛鉤的。在這種情況下，我們宇宙的起點(diǎn)就不一定是時(shí)間的起點(diǎn)了。這讓我們更有理由懷疑大爆炸是否真的代表著我們認(rèn)知的終極限制了。

我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將推理與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相結(jié)合，我們的認(rèn)知就不會(huì)有任何局限。

每個(gè)宇宙從背景空間中脫離而出的過(guò)程不同，它們的物理學(xué)定律可能也不相同。我們把可能存在的宇宙形成的這一集合稱為“多元宇宙”?！岸嘣钪妗钡母拍钤诳茖W(xué)界廣受關(guān)注，不僅僅是因?yàn)樵摳拍钍窃谟钪姹┟浿惉F(xiàn)象的推動(dòng)下產(chǎn)生的，還因?yàn)樵摳拍钐岢龅膿碛衅渥陨愍?dú)特物理定律的多個(gè)不同宇宙存在的可能性，可以解釋我們的宇宙中存在的各種看似莫名其妙的基本參數(shù)。這些參數(shù)只不過(guò)是在我們的宇宙誕生時(shí)隨機(jī)產(chǎn)生的。

如果除了我們的宇宙之外還有其他宇宙存在，那么它們與我們之間的距離將是非常遙遠(yuǎn)的，而且它們還會(huì)以超越光速的相對(duì)速度遠(yuǎn)離我們而去，因此，我們也許永遠(yuǎn)也無(wú)法直接探測(cè)到它們。那么，“多元宇宙”理論僅僅是一種空頭理論嗎？對(duì)“多元宇宙”存在可能性的驗(yàn)證代表著我們認(rèn)知上的一個(gè)根本極限嗎？答案是：這可不一定。雖然我們可能永遠(yuǎn)也無(wú)法直接看到另一個(gè)宇宙，但是我們依然能夠以經(jīng)驗(yàn)主義的方式來(lái)檢驗(yàn)該理論，比如說(shuō)，觀測(cè)暴脹產(chǎn)生的引力波。理論

上，這一舉措可使我們檢測(cè)出導(dǎo)致我們宇宙產(chǎn)生的暴脹過(guò)程的詳盡細(xì)節(jié)。這些引力波與被激光干涉引力波天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)的引力波相似，但是它們的起源不同。后者產(chǎn)生于諸如遙遠(yuǎn)星系中巨型黑洞之間發(fā)生碰撞一類的大事件，而前者產(chǎn)生于宇宙大爆炸的早期，也就是人們認(rèn)定的暴脹時(shí)期。如果我們能夠直接探測(cè)到這些引力波（就像現(xiàn)在我們可以通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)，來(lái)尋找宇宙大爆炸遺留下的宇宙微波背景輻射中的蛛絲馬跡一樣），我們就可以探究暴脹過(guò)程中都發(fā)生了哪些物理變化，從而斷定這永不止息的暴脹是否正是這一物理變化的結(jié)果。因此，即便我們不能直接探測(cè)到其他宇宙，但是我們?nèi)钥梢蚤g接檢驗(yàn)其他宇宙是否必然存在。

簡(jiǎn)言之，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將推理與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相結(jié)合，我們的認(rèn)知就不會(huì)有任何局限。無(wú)限的宇宙引人入勝，并且激勵(lì)著我們不斷進(jìn)行探索。但是，我們可以自信地說(shuō)，我們的認(rèn)知永遠(yuǎn)也沒(méi)有局限嗎？這可就不一定啦。

暴脹確實(shí)給我們的認(rèn)知設(shè)置了一個(gè)根本性的限制，特別是對(duì)過(guò)去的認(rèn)知。暴脹在本質(zhì)上重置了宇宙，在這一過(guò)程中，就很可能摧毀了暴脹之前所有有關(guān)動(dòng)態(tài)過(guò)程的信息。在暴脹期間，由于空間的快速膨脹大大降低了所有區(qū)域的物質(zhì)密度，因此，可能抹去了諸如磁單極子等的蹤跡。理論表明，磁單極子應(yīng)該是一種在宇宙很早時(shí)期大量產(chǎn)生過(guò)的粒子。這是暴脹獨(dú)有的特點(diǎn)之一，它很好地解釋了這樣一個(gè)矛盾：為什么諸如磁單極子一類的粒子理論上會(huì)產(chǎn)生，而在現(xiàn)實(shí)中我們至今也未觀測(cè)到過(guò)。

但在化解矛盾時(shí)，暴脹抹去了我們的過(guò)去。更糟糕的是，暴脹抹去信息的行為也許仍未停止。很顯然，現(xiàn)在的我們?nèi)蕴幵谶@一暴脹過(guò)程的另一個(gè)階段。通過(guò)對(duì)那些正在離我們遠(yuǎn)去的遙遠(yuǎn)星系與我們之間距離的測(cè)量，表明我們的宇宙正在加速膨脹，絲毫沒(méi)有慢下來(lái)。這是否說(shuō)明占主導(dǎo)地位的引力僅僅存在于物質(zhì)或輻射內(nèi)，在虛空中不存在呢？（譯者注： 在這里，筆者的意思是，如果宇宙是由引力主導(dǎo)的，那么宇宙應(yīng)該是塌縮的。而現(xiàn)實(shí)并非如此，好像引力被限制在了物質(zhì)和輻射內(nèi)。而在宇宙的虛空中，應(yīng)該存在另外一種能量，它抵消了引力的作用，使得宇宙加速膨脹。）我們現(xiàn)在對(duì)這一能量的起源一無(wú)所知，每種潛在的解釋都是對(duì)認(rèn)知發(fā)展，甚至是對(duì)我們自身存在的根本限制。

如果宇宙正在經(jīng)歷某種相變，那么這種虛空中的能量可能會(huì)突然消失。如果這種情況真的將要發(fā)生，那么宇宙中基本力的性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生改變，而我們看到的宇宙中的所有結(jié)構(gòu)都可能變得不穩(wěn)定，甚至消失。我們將和其他所有的一切一起消失。

但是，即使是繼續(xù)膨脹，未來(lái)的景象仍將是一片凄涼。在大約2萬(wàn)億年內(nèi)（從人類的角度來(lái)看，2萬(wàn)億年似乎是一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間，但是從宇宙的角度來(lái)看，就不是那么長(zhǎng)了），宇宙的其他部分將會(huì)從我們的視野中消失。在那個(gè)遙遠(yuǎn)的未來(lái)，在那些圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星上進(jìn)化出的所有觀察者，都會(huì)認(rèn)為他們生活在宇宙中唯一的星系中，這個(gè)星系被無(wú)盡的虛空包圍，不再有宇宙加速膨脹的蛛絲馬跡，更別提比這更早的宇宙大爆炸的跡象了。正如我們失去了磁單極子的蹤跡，他們對(duì)我們目睹的一切也將一無(wú)所知。最后，不管怎樣，我們都應(yīng)該享受我們沐浴在陽(yáng)光下的這短暫的片刻，在我們還能夠?qū)W習(xí)的時(shí)候，學(xué)習(xí)我們能夠?qū)W習(xí)的一切。